CN113126181A - 一种大气电场探测多旋翼无人机及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大气电场探测多旋翼无人机及其测量方法，属于空间环境探测技术领域。本发明通过激励源接口电路测量压电陶瓷谐振频率，四个双电极电容式静电场测量传感器模块测量，信号采集模块检测四个点器件的ΔV，DSP数据处理模块对数据进行处理，得到一个准确的电压值，通过DSP数据处理模块处理转换后，计算电场强度。本发明将电场测量模块设置于无人机上，利用无人机作为电场测量装置的移动平台，可操作性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种大气电场探测多旋翼无人机及其测量方法，属于空间环境探测技术领域。
背景技术
大气电场是研究空间天气学和空间环境一个很重要的参量，也是了解雷暴电情况的重要测量参量。它的数值大小及其变化可用于表征太阳活动、雷暴活动、地震活动及大气环境污染等。对大气电场的实时监测和探测，能够提高对雷暴、地震等灾害的预报能力，也能够为航天活动提供空间电环境状态数据。比如，以晴天电场作为参考的正常状态的大气电场下，不同气象环境的大气电场数值存在差异，当存在激烈的天气现象(如雷暴、雪暴、尘暴)时，大气电场的数值和方向均有明显的不规则变化。
目前的大气电场强度通常由地面大气平均电场仪测量，但是确切研究大气云层中的电荷分布、荷电中心的位置、极性以及起电机制等，仅依据地面大气平均电场仪获取的电场测量值来分析具有局限性。随着无人机技术的不断发展，无人机已经被应用在各个领域，但在大气电场探测中，由于技术缺陷等问题，无人机在大气电场探测中的应用还不够成熟。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种使用成本低，可操作性强的大气电场探测多旋翼无人机及其测量方法，能够在地面操作人员的控制下，进行大气电场相关参数的采集及计算处理，并对相关数据进行储存和发送，从而解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种大气电场探测多旋翼无人机，包括多旋翼无人机、激励源接口电路、电场测量模块、信号采集模块、DSP数据处理模块、保护壳和十字安装支架。
所述十字安装支架位于多旋翼无人机顶部的中心位置。
所述电场测量模块由四个压电陶瓷部件组成，四个压电陶瓷部件分别固定在十字安装支架上。
所述压电陶瓷部件上均安装有保护壳。保护壳电绝缘性好，几乎不受外界湿度、温度等因素干扰，对电场测量模块有很好的保护作用。以最大限度保证电场测量电容式传感器不受外界无关因素的干扰。
所述信号采集模块、DSP数据处理模块均固定在安装支架的心处。
所述安装支架固定在多旋翼无人机中心处。
所述电场测量模块与激励源接口电路连接，激励源接口电路设置在十字安装支架的中心处。
所述电场测量模块与信号采集模块和DSP数据处理模块连接。
所述安装支架高度为100mm。
所述保护壳是ABS高分子材料制成。保护壳3为一个直径39mm的半圆形外壳安装在压电陶瓷部件的上方。
所述压电陶瓷部件由压电陶瓷内片、压电陶瓷外片组成，压电陶瓷内片装在压电陶瓷外片上。
所述压电陶瓷外片上设有螺钉固定槽。所述螺钉固定槽共有四个，分别为左上螺钉固定槽，右上螺钉固定槽，左下螺钉固定槽，右下螺钉固定槽，固定槽与所在压电陶瓷片边界之间的距离范围为2-4mm。
所述压电陶瓷内片由外电极、内电极、绝缘层组成，内电极位于外电极内，绝缘层设置在外电极上，所述内电极、外电极、绝缘层之间通过激光焊接连接。
所述压电陶瓷部件的厚度范围为1-2mm，宽度30-45mm，长度30-45mm；压电陶瓷内片1位于压电陶瓷片的中心位置，压电陶瓷内片为一个直径范围为20-30mm的圆片，厚度范围为1-2mm。
所述内电极一端通过导线与激励源接口电路相连，另一端与信号采集模块、DSP数据处理模块依次相连。
所述外电极与激励源接口电路用导线相连。
所述激励源接口电路上设有负载电阻R和外接电容Cp。
所述负载电阻R的阻值范围为6k～15kΩ，外接电容Cp的范围为40μF～50μF。
所述旋翼包括连接臂、螺旋桨和电机；所述连接臂一端与所述无人机本体连接，连接臂另一端与所述电机连接，所述电机的输出轴连接有螺旋桨；相邻所述旋翼的电机轴距大于等于500mm。
所述连接臂的长度大于等于400mm。
所述大气电场探测多旋翼无人机待测区域垂直高度范围为500-1000m。
所述激励源接口电路对每一个压电陶瓷谐振频率进行测量后，会提供频率范围为2kHz-5kHz的激励信号，振幅为5-12V的正弦波。
所述压电陶瓷部件Ⅰ、压电陶瓷部件Ⅱ通过螺钉安装在横向十字安装支架的两个角上，压电陶瓷部件Ⅲ、压电陶瓷部件Ⅳ通过螺钉安装在纵向十字安装支架的两个角上。
一种利用大气电场探测多旋翼无人机进行电场强度测量的方法，具体步骤为：
Step1：操作大气电场探测多旋翼无人机飞行至待测区域，待无人机飞行稳定后，开始向电场测量模块发出信号。
Step2：激励源接口电路开始测量压电陶瓷的谐振频率，并给电场测量模块外压电层一个频率可以改变的信号，使电场测量模块中的双电极电容式静电场传感器中的内外压电层构成的电容器的电容值达到稳定。
在电场环境中，当有外界静电场影响时，电场测量模块输出表征电场强度的信号；
Step3：信号采集模块对电场测量模块所输出的表征电场强度的信号进行采集，通过信号放大和A/D转换处理，得到测量出的数据并把数据发送到DSP数据处理模块。
Step4：DSP数据处理模块根据数据对电场强度进行计算，并将计算得到的电场强度值进行存储。
Step5：无人机着陆后，对无人机内部储存数据进行数据采集，得到测量的大气电场强度。
本发明通过激励源接口电路测量压电陶瓷谐振频率，电场测量模块测量，信号采集模块检测四个点器件的ΔV，DSP数据处理模块对数据进行处理，得到一个准确的电压值，通过DSP数据处理模块处理转换后，计算电场强度。在实际应用中，外部电容 Cp、压电陶瓷厚度d，电容最大、最小值C1、C2均已测得，仅需用信号采集模块得到ΔV，通过DSP数据处理模块用
计算即可得到大气电场强度。
本发明的有益效果是：
1、将电场测量模块设置于无人机上，利用无人机作为电场测量装置的移动平台，可操作性强。
2、比现有的固定式地面大气电场仪而言，数据探测范围更大，探测位置的坐标精度也大幅提升。
3、可重复使用，且耐用时间长，能够很大的节约探测任务成本，更环保。
4、所设计的电场测量传感器模块，利用相关算法可最大限度的减小测量误差。
5、设计激励源接口电路，对不同型号的压电陶瓷给予不同激励信号，使测量结果更为精确。
附图说明
图1是本发明无人机的俯视结构示意图；
图2是本发明无人机的主视结构示意图；
图3是本发明的安装支架结构图；
图4是本发明压电陶瓷部件的俯视结构示意图；
图5是本发明压电陶瓷部件的正视结构示意图；
图6是本发明压电陶瓷部件的尺寸示意图；
图7是本发明多旋翼无人机的俯视结构尺寸示意图；
图8是本发明激励源接口电路图；
图9是本发明激励源接口电路所测压电陶瓷谐振频率示意图；
图10是本发明电场测量电路示意图；
图11是本发明电场测量方法流程示意图。
图中：1-压电陶瓷内片，2-压电陶瓷外片，3-保护壳，4-螺钉固定槽，5-外电极， 6-内电极，7-绝缘层，8-十字安装支架，9-信号采集模块，10-DSP数据处理模块， 11-螺旋桨，12-安装支架，13-激励源接口电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
如图1-2所示，一种大气电场探测多旋翼无人机，包括多旋翼无人机、激励源接口电路13、电场测量模块、信号采集模块9、DSP数据处理模块10、保护壳3和十字安装支架8。
所述十字安装支架8位于多旋翼无人机的中心位置。
所述电场测量模块由四个压电陶瓷部件组成，四个压电陶瓷部件分别固定在十字安装支架8上。
所述压电陶瓷部件上均安装有保护壳3。
所述信号采集模块9、DSP数据处理模块10均固定在安装支架12的心处；
所述安装支架12固定在多旋翼无人机中心处。
所述电场测量模块通过导线与激励源接口电路13连接，激励源接口电路13设置在十字安装支架8的中心处，电场测量模块通过导线与信号采集模块9和DSP数据处理模块10连接。
导线的选择遵循近距离小负荷原则，选择截面积小、散热好、气温低、导电能力强的4mm2铜线作为导线，导线长度大于等于200mm。
如图3所示，所述安装支架12高度为100mm。
所述保护壳3是ABS高分子材料制成。
如图4所示，所述压电陶瓷部件结构相同，均由压电陶瓷内片1、压电陶瓷外片2 组成，压电陶瓷内片1装在压电陶瓷外片2上。
所述压电陶瓷外片2上设有螺钉固定槽4。
如图5所示，所述压电陶瓷内片1由外电极5、内电极6、绝缘层7组成，内电极6位于外电极5内，绝缘层7设置在外电极5上，所述内电极6、外电极5、绝缘层7 之间通过激光焊接连接。
如图6所示，压电陶瓷部件的厚度是1.5mm，宽度39mm，长度39mm；压电陶瓷内片1位于压电陶瓷片的中心位置，压电陶瓷内片为一个直径27mm的圆片，厚度是 1.5mm；ABS高分子材料保护壳3为一个直径39mm的半圆形外壳安装在压电陶瓷片的上方。
压电陶瓷外片2上设有左上螺钉固定槽，右上螺钉固定槽，左下螺钉固定槽，右下螺钉固定槽，固定槽内均设有平头螺钉，平头螺钉规格型号为M2.0，平头螺钉用于固定电场强度测量装置，固定槽与所在压电陶瓷外片边界之间的距离是3mm；
如图7所示，所述旋翼包括连接臂、螺旋桨11和电机；所述连接臂一端与所述无人机本体连接，连接臂另一端与所述电机连接，所述电机的输出轴连接有螺旋桨11；相邻旋翼的电机轴距为600mm，连接臂的长度为840mm，叶片保护壳直径为400mm。
所述大气电场探测多旋翼无人机待测区域垂直高度范围为500-1000m。
所述激励源接口电路13对每一个压电陶瓷谐振频率进行测量后，会提供频率范围为2kHz-5kHz的激励信号，振幅为5-12V的正弦波。
所述压电陶瓷部件Ⅰ、压电陶瓷部件Ⅱ通过螺钉安装在横向十字安装支架8的两个角上，压电陶瓷部件Ⅲ、压电陶瓷部件Ⅳ通过螺钉安装在纵向十字安装支架8的两个角上。
如图8所示，所述激励源接口电路13设置在十字安装架8的中心处，对压电陶瓷给予由低到高的激励信号频率变化时，可以发现压电陶瓷的等效阻抗|Z|会随着频率的变化而变化，继续提高信号频率，压电陶瓷将会出现规律性的增大和减小。
压电陶瓷的阻抗|Z|与频率的关系如图9所示，fm为最小阻抗频率，fn为最大阻抗频率。所测得的压电陶瓷阻抗最大时的频率fn对应谐振频率(固有振动频率)，当外界静电场对电场测量模块有影响时，会使这个频率发生改变，使得电极上的电荷量发生改变从而发生电荷的移动现象。
所述信号采集模块9，其工作原理为：采用信号采集卡，用其中的模拟输入功能来实现信号的放大及采集。由压电陶瓷片产生的微弱信号经过AD卡中的放大器，使得电信号被放大若干倍，再经过A/D转换，后由采样保持电路使被放大的模拟信号在转换时间内模拟信号保持不变，保证转换精度，最后，使输入的信号，转为电信号。通过采集到的电信号，利用相关算法进行计算，可得到大气中的静电场的电场强度值。
如图10所示，利用电场测量电路对大气电场数据进行采集，具体步骤为：
利用电场测量模块完成对电场强度的测量：当电场测量模块处于大气中时，外界有静电场影响时，会给电场测量模块施加变化的激励信号，将导致模块中的电容值Cp改变，当所加激励信号为特定值时，电容将存在最大值C1、C2，将所得数据传输给后续的信号采集模块9进行处理，达到对大气电场强度的测量。
所述信号采集模块9及DSP数据处理模块10对数据进行处理及分析计算，最终得到大气电场强度值，具体步骤为：
记在一次测量中，压电陶瓷部件所测得的数据通过信号采集卡中的放大器进行信号的放大之后，再经过A/D转换之后发送到DSP数据处理模块10中，并进行计算。
在t1时刻，双电极电容式静电场传感器A1、A2、B1、B2测得的数据经过信号采集卡中的A/D转换后得到Va1、Va2、Vb1、Vb2，在t2时刻，在静电场影响后，给电场测量模块施加了变化的激励信号，电场双电极电容式静电场传感器A1、A2、B1、B2 测得的数据经过信号采集卡中的A/D转换后得到V′a1、V′a2、V′b1、V′b2，使这两个不同时刻的差值分别记为ΔV1＝|V′a1-Va1|，ΔV2＝|V′a2-Va2|，ΔV3＝|V′b1-Vb1|，ΔV4＝|V′b2-Vb2|，在正常工作情况下，所测得的四个值应大致相同。在收集到数据之后，即可通过算法Ei＝CΔVi(i＝1,2,3,4)得到精确的电场强度值。
一种利用大气电场探测多旋翼无人机进行电场强度测量的方法，具体步骤为：
Step1：操作大气电场探测多旋翼无人机飞行至距离地面垂直高度750m处的待测区域，待无人机飞行稳定后，开始向电场测量模块发出信号。
Step2：激励源接口电路13开始测量压电陶瓷的谐振频率，并给电场测量模块外压电层给定一个频率可以改变的信号，使电场测量模块中的双电极电容式静电场传感器中的内外压电层构成的电容器的电容值达到稳定。
在电场环境中，当有外界静电场影响时，电场测量模块输出表征电场强度的信号。
Step3：信号采集模块9对电场测量模块所输出的表征电场强度的信号进行采集，通过信号放大和A/D转换处理，得到测量出的数据并把数据发送到DSP数据处理模块 10。
Step4：DSP数据处理模块10根据数据对电场强度进行计算，并将计算得到的电场强度值进行存储。
Step5：无人机着陆后，对无人机内部储存数据进行数据采集，得到测量的大气电场强度。
本实施例的大气电场探测多旋翼无人机电场强度测量装置在进行电场强度测量时，相关参数设定为：本示例电场测量模块参数设为d＝1.5mm,Cp＝47μF，R＝10kΩ。
激源接口电路测得四个电场测量模块压电陶瓷的谐振频率为： 2.5kHz、2.7kHz、3kHz、3.1kHz。
激励源接口电路提供给模块的激励信号范围为：2kHz-4kHz。
电场测量模块在内外两层压电层之间的信号稳定时，所采集到的电压值经过信号采集模块9中的AD转换后得到：Va1＝5.03V、Va2＝4.89V、Vb1＝4.96V、Vb2＝ 5.10V。
压电陶瓷部件Ⅰ中电容Cp的最大值C11＝58.38μF,电容最小值C12＝33.26μF，此时采集到的电压值经信号采集模块9中的AD转换后得，V′a1＝5.85V，可得到ΔV1＝|V′a1-Va1|＝0.821V。
压电陶瓷部件Ⅱ中电容Cp的最大值C21＝57.86μF,电容最小值C22＝32.98μF，此时采集到的电压值经信号采集模块9中的AD转换后得，V′a2＝5.69V，可得到ΔV2＝|V′a2-Va2|＝0.806V。
压电陶瓷部件Ⅲ中电容Cp的最大值C31＝58.68μF,电容最小值C32＝33.74μF，此时采集到的电压值经信号采集模块9中的AD转换后得，V′b1＝5.78V，可得到ΔV3＝|V′b1-Vb1|＝0.825V。
压电陶瓷部件Ⅳ中电容Cp的最大值C41＝58.26μF,电容最小值C42＝33.67μF，此时采集到的电压值经信号采集模块9中的AD转换后得，V′b2＝5.88V，可得到ΔV4＝|V′b2-Vb2|＝0.780V。
通过信号采集模块9将采集到的数据发送到DSP数据处理模块10计算得：
将所得结果进行储存，在无人机着陆后对数据进行采集，达到电场强度测量目的。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种大气电场探测多旋翼无人机，其特征在于：包括多旋翼无人机、激励源接口电路(13)、电场测量模块、信号采集模块(9)、DSP数据处理模块(10)、保护壳(3)和十字安装支架(8)；
所述十字安装支架(8)位于多旋翼无人机的中心位置；
所述电场测量模块由四个压电陶瓷部件组成，四个压电陶瓷部件分别固定在十字安装支架(8)上；
所述压电陶瓷部件上均安装有保护壳(3)；
所述信号采集模块(9)、DSP数据处理模块(10)均固定在安装支架(12)的心处；
所述安装支架(12)固定在多旋翼无人机中心处；
所述电场测量模块与激励源接口电路(13)连接，激励源接口电路(13)设置在十字安装支架(8)的中心处；
所述电场测量模块与信号采集模块(9)和DSP数据处理模块(10)连接。
2.根据权利要求1所述的大气电场探测多旋翼无人机，其特征在于：所述安装支架(12)高度为100mm。
3.根据权利要求1所述的大气电场探测多旋翼无人机，其特征在于：所述保护壳(3)是ABS高分子材料制成。
4.根据权利要求1所述的大气电场探测多旋翼无人机，其特征在于：所述压电陶瓷部件由压电陶瓷内片(1)、压电陶瓷外片(2)组成，压电陶瓷内片(1)装在压电陶瓷外片(2)上。
5.根据权利要求4所述的大气电场探测多旋翼无人机，其特征在于：所述压电陶瓷外片(2)上设有螺钉固定槽(4)。
6.根据权利要求4所述的大气电场探测多旋翼无人机，其特征在于：所述压电陶瓷内片(1)由外电极(5)、内电极(6)、绝缘层(7)组成，内电极(6)位于外电极(5)内，绝缘层(7)设置在外电极(5)上，所述内电极(6)、外电极(5)、绝缘层(7)之间通过激光焊接连接。
7.一种利用如权利要求1所述的大气电场探测多旋翼无人机进行电场强度测量的方法，其特征在于：
Step1：操作大气电场探测多旋翼无人机飞行至待测区域，待无人机飞行稳定后，开始向电场测量模块发出信号；
Step2：激励源接口电路(13)开始测量压电陶瓷的谐振频率，并给电场测量模块外压电层一个频率可以改变的信号，使电场测量模块中的双电极电容式静电场传感器中的内外压电层构成的电容器的电容值达到稳定；
在电场环境中，当有外界静电场影响时，电场测量模块输出表征电场强度的信号；
Step3：信号采集模块(9)对电场测量模块所输出的表征电场强度的信号进行采集，通过信号放大和A/D转换处理，得到测量出的数据并把数据发送到DSP数据处理模块(10)；
Step4：DSP数据处理模块(10)根据数据对电场强度进行计算，并将计算得到的电场强度值进行存储；
Step5：无人机着陆后，对无人机内部储存数据进行数据采集，得到测量的大气电场强度。
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2021
- 2021-03-08 CN CN202110251457.XA patent/CN113126181B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113126181B (zh) | 2023-04-18 |
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